什么是未来能源

现在，你可能感觉不到，但你现在正在做的事情，比如你正在看这篇文章，以及窗外的一切，都是由核聚变提供动力的，因为核聚变驱动着太阳，而太阳又驱动着地球上的一切。假设你离得太阳足够近就可以看到它的核心，氢原子结合成了氦原子，在这个过程中会释放出大量的能量。核聚变除了不断帮助太阳核心加热外，太阳核聚变还产生了很多太阳活动，太阳活动粒子在1.5亿千米的星际空间中流动，影响着地球。这么说的话，未来能源其实就在我们的眼前。

现在人类科学家可以制造一台机器，在地球上复制太阳内部发生的事情，只不过没有太阳那么大的规模。理论上，科学家们只需在一端注入氢气，将其原子聚合在一起，然后从另一端回收氦就可以达成目标。在这个过程中，这个机器会产生大量的热能，我们可以用这些热能来驱动任何东西，就像传统的发电厂一样。没有污染，没有二氧化碳，也没有致命的核废料，核聚变能源将是清洁而又安全的。

大自然给予了人类很多，但是给我们的考验更多，现在，我们有很多不同的方法来制造所需的能源，比如石油，天然气，煤炭，风能，太阳能，水力，垃圾焚烧和生物能量等等。有这么多种能量还要核聚变有什么用呢？很现实，人类靠山吃山靠水吃水的日子不会太久了，未来几十年，地球会给人类出一系列现实问题。

世界人口在增加，预计到2050年将从现在的大约75亿人口增加到100亿人口左右。同时，发展中国家的人口目前使用的能源很少，随着他们生活水平的提高，在未来他们会使用更多的能源。据估计，到2050年，世界需要的能源是现在需求能源的2-3倍。目前，我们80%的能源来自石油、天然气和煤炭等化石燃料，然而这些燃料供应有限，尤其是石油和天然气正迅速枯竭。

去年，联合国发布了一篇统计报告，报告中预计未来30年世界人口总数将增加20亿，也就是说到2050年将达到97亿人的总人口

另外当我们燃烧使用化石能源时，它们会产生二氧化碳气体。这会导致气候变化，最终我们的星球会面临全球性火灾，海平面上涨，火山问题等等。利用太阳能、风能、海洋和其他能源制造的可再生能源是解决这些问题的一个办法，但目前这些方法的效率不够高，无法产生足够大的影响，举个例子，数千个风力涡轮机的发电量只相当于一个燃煤发电厂。换句话说，如果我们能建造出和燃煤发电厂一样甚至更高效率的核聚变电站，还没有环境问题，我们就能永远解决地球的能源问题。

那么我们如何在地球上实现核聚变反应并将其大规模商用呢？梦想正在一步一步实现，目前最好的方法是使用比普通氢原子稍重的其他氢同位素，它们拥有不同的原子形式。大多数核聚变实验的基础是将氘和tri转化为氦，当两个不稳定的原子重新排列成一个稳定的原子时，会释放出大量的能量。这听起来很简单，但是做起来非常非常困难。

因为要使两个原子融合，你必须让原子核足够靠近，问题是，每个原子的原子核都有一个相对较大的正电荷，原子核离得越近所需的能量就越大。通过库伦定律我们知道，两个原子核之间距离每减去二分之一，就会增加四倍能量，这就意味着科学家们必须使用大量的能量才能使原子聚合在一起。

核聚变领域科学的研究方向

核聚变研究是世界上最昂贵的研究之一，通俗的讲就是连电费都付不起，也造不起托卡马克装置……不过一切总会改变，核聚变对于未来能源来说实在太重要了，未来的核聚变能源不只可以帮助地球人类解决能源问题，利用核聚变，人类甚至可以大步向太空进发，这将帮助人类成为多星球物种。现在，超高速计算、材料科学、超级计算机建模和仿真技术的进步正在帮助打破核聚变难以逾越的技术障碍，大量人才和预算也正在流入该领域。一些新的核聚变项目正在利用最新一代的超级计算机来更好地理解和控制超高温等离子体的行为。

美国宇航局Kilopower反应堆计划示意图，该计划目标是在月球和火星表面建造小型核裂变反应堆，雨伞状的结构是散热器，该裂变反应堆使用铀235产生热量，这些热量通过被动式钠热管输送到斯特林变换器上，然后给宇航员居住区供给。不过也有科学家提出反对意见，认为这可能会污染月球，还是等成熟的核聚变技术最好。核能无论是核裂变还是核聚变，都可以帮助人类实现太空梦想

整天梦想新能源可不行，科学家们都是实干家，科学正在不断进步，核聚变领域科学也不是单一的科学，目前科学家们正在追求核聚变科学与其他领域科学共同发展，这对于商业化核聚变能源有很重要的意义。全球国家或者个人投资者都在努力以早日实现核聚变，不过纵观所有核聚变实验，核聚变设施等，可以把地球上的核聚变实验归类为三种主要方法，这三种方法其实更像是三个方向，这将是人类实现可控核聚变的关键。

磁约束托卡马克装置——主流托卡马克

说到核聚变，大家首先就会想到托卡马克装置，强大的电磁场会把超高温等离子体限制在托卡马克的圆环形结构内，也就是说科学家们可以给托卡马克通电，然后托卡马克外圈可以利用磁力来控制核聚变所需的超高温等离子体，在超高温等离子体中，氢原子核会聚合形成氦。自20世纪60年代以来，人类已经建造了200多个功能性托卡马克，托卡马克设施是目前实现核聚变的主流，全世界很多国家或者机构都资助了托卡马克设施。

目前现存最大的托卡马克设施就是位于英国的JET托卡马克，自1983年开始运营以来，JET在核聚变科学和工程领域取得了重大进展，它的成功促成了第一台商业规模核聚变装置ITER的建造。近年来，科学家们利用JET进行了许多重要的工作，以协助下一代ITER的设计和建造，该项目正在法国建造。经过30多年的成功运营，JET为人类聚变研究提供了许多知识。

现在在法国南部，有35个国家正在合作建造世界上有史以来最大的托卡马克装置，它的名字也叫作国际热核实验堆ITER，ITER将是第一个长时间保持核聚变效果的装置，这也许是人类在最近几年最接近核聚变成果的时刻。另外，ITER还需要测试商业核聚变所必需的集成技术，材料和物理机制，这将是第一次大规模尝试。

ITER结构示意图

托卡马克装置是有了，相关的技术也不能停滞不前，目前托卡马克可控核聚变实验的难点就在这些等离子体身上，这些等离子体的行为很难控制。刚才说到必须要克服原子核的正电荷斥力才能让原子核聚合在一起，而这实际上只能通过非常高的温度才能实现。

为了让氢原子核融合，科学家们需要找到方法来克服正电荷离子的斥力，最后科学家们利用托卡马克把太阳核心温度（约1500万摄氏度）提高几个数量级，以至于物质只能以等离子体状态存在，在这种状态下，电子会脱离原子核，更方便其融合。不过等离子体是出了名的“调皮”，它非常不稳定且难以控制。在托卡马克实验期间，科学家们发现这些等离子体会飘到能量场边缘，在那里它会迅速消散。核聚变的大部分问题都围绕着等离子体：如何加热和控制等离子体，让它们乖乖聚合。

重约1250吨的Cyrostat结构，它将被安装到ITER托卡马克上方，其本质是一个散热器保护结构

如此高的温度，托卡马克反应室的壁是不是会融化呢，那么这些实验等离子体就会暴露在外部环境，因此，对于托卡马克来说安全性非常重要。另外建造托卡马克的材料不仅不能熔化，还需要在高温下具有足够低的蒸汽压，以避免污染等离子体。条条大路通罗马，其实我们一直提到的托卡马克的原理是磁约束等离子机制，科学家们还有新的方法，名为惯性约束聚变。

NSTX托卡马克中产生的托卡马克等离子体柱

惯性约束托卡马克——超级计算机的加持

长期以来，科学家们一直认为，在创造稳定且能量密集的等离子体场时，其规模是越大越好。但随着超级计算机和复杂建模技术的不断发展，科学家们正在解开更多有关等离子体行为的谜团，并开发出在没有托卡马克情况下分析等离子体行为的新方法。

德克萨斯大学聚变研究所的物理学家Wendell Horton使用了Stamped超级计算机来模拟托卡马克内等离子体的行为。“我们的计算规模不断扩大，数据不断增加，我们还在三维和时间上对等离子体数据进行建模。现在我们的数据比托卡马克探针系统所得到的数据还要准确详细，这些数据可以帮助我们更好的改进实体托卡马克装置。”Wendell Horton说到。

ITER将是世界上最大的托卡马克，内圈实验半径为6.2米，等离子体能量场的体积为840立方米

超级计算机的数据结果为不同规模的托卡马克设计提供了依据，这其实就是复杂建模技术，科学家们们现在甚至可以模拟30亿光年范围内宇宙中的所有物质，更不用说模拟等离子体的行为了。不光是模拟等离子体，美国一家名为TAE的公司利用超级计算机数据设计了一种托卡马克装置，他们的设计是利用磁场反转结构来产生一个漩涡状的等离子体环，他们设计的托卡马克没有使用氘和tri，而是向氢硼燃料中注入高能中性氢粒子束，迫使其反应并产生电离氦核。

产生的热量将通过传统的热转换系统转换成电能，这样的话一个完整的核聚变反应设施就完成了。另外氢硼燃料这意味着初级反应不会产生破坏性的中子辐射，不过缺点是这种设施需要非常高的温度，大约需要30亿摄氏度。TAE还与Google合作，采用了一种核聚变人工智能模型算法来分析等离子体行为数据，并将这些变量组合起来，为核聚变环境创造最理想的条件。

德国的Wendelstein 7-X恒星式托卡马克，这是一种比较小众的托卡马克形式，循环性带式的托卡马克装置可以更有效率的维持核聚变反应

磁化靶托卡马克——“旧技术新用”

超级计算机，人工智能以及数据模型帮了科学家很大的忙，接下来我们说到的第三种方法叫做磁化靶核聚变技术，这个方法也与超级计算机息息相关。它工作的原理就是将脉冲磁约束等离子体燃料注入到一个充满熔融铅锂混合材料的球体中，围绕在反应堆周围的活塞结构会让冲击波轰击中心，压缩燃料，迫使粒子发生聚变反应，由此产生的热量可以被液态金属吸收，并被用来产生蒸汽，使涡轮机旋转并发电。

这是一种磁化靶托卡马克，其原理就是将等离子体脉冲注入熔融铅锂混合材料的球体中

其实第三种方法和磁约束托卡马克设施的工作原理正好相反，因为托卡马克的实验环境是一个相对低密度的较大的等离子体能量场，而这种方法是想要制造出一个密度极高的小尺寸等离子体，然后用冲击波轰击。因为磁场非常密集而且很小，所以核聚变哪怕只能维持一毫秒也能有能量反应。这其实不是新方法，在上世纪70年代，美国海军研究实验室想用这种机制触发核聚变，但是实验失败了，很大程度上是当时他们无法精确控制冲击波的时间。而现在，加拿大温哥华的一家公司已经开发出新算法和高度精确的控制系统来微调冲击波的速度和时间。

对于核聚变，有一种说法是“核聚变的梦想有多长，笑话持续的时间就有多长”，其实想要实现核聚变确实很难，但是正因如此才值得全世界科学家和科学机构的共同努力。从1958年第一个托卡马克的诞生开始，人类就一直在进行核聚变方面的研究，现在我们看到的核聚变研究正在从局部区域化转变，未来全球共研将是主流，ITER就是最好的事例，去年，ITER的研发工作也已经超过了三分之二，这是不错的进度。

上方为磁约束托卡马克装置示意图，左下为惯性约束托卡马克原理示意图，右下为磁化靶托卡马克装置示意图

这是全人类的问题

气候问题，人口问题，资源问题等等，我在思考这是地球给人类出的难题还是人类自作自受，不过可以确定的是，想要解决所有问题，这两个方法非常重要，一是实现商用核聚变，二是实现多星球文明，未来的人类不会只在地球生活。其实我总在想，什么是未来科学，什么是能够影响未来人类的科学，思来想去，核聚变确实是未来人类科学前进举足轻重的一个领域。

托卡马克不止一个，人类实现核聚变的方法也不止一种。无限清洁能源，这个理由足以让全人类共同协作开发，从这里我也看到了科学合作的重要性，未来也会有更多国家加入到核聚变研究行列。时间拥有记忆，本文将与你我共同期待商用核聚变的到来。

这是美国宇航局设计的核裂变核聚变结合使用的推进器，该系统能达到15kw/kg和30000秒的ISP。该推进器核聚变方面的设计主要集中在磁约束聚变和惯性约束聚变上，而磁约束聚变包含低密度稳态等离子体。裂变过程加热聚变等离子体，增加聚变反应速率，然后聚变产物加强了裂变反应，这些过程可以相互促进其反应速度